Теплота, выделяющаяся в обмотках, магнитопроводе и стальных деталях конструкции работающего трансформатора, рассеивается в окружающую среду, при этом процесс передачи теплоты может быть разбит на два этапа: передача теплоты от обмоток и магнитопровода охлаждающему маслу и от масла окружающей среде. На первом этапе передача теплоты определяется превышением температуры обмоток и магнитопровода над температурой масла, на втором — превышением температуры масла над температурой окружающей среды.
Принято считать, что охлаждающее устройство масляного трансформатора состоит из системы внутреннего охлаждения, обеспечивающей передачу теплоты на первом этапе охлаждения, и системы наружного охлаждения, обеспечивающей передачу теплоты на втором этапе.
Элементами системы внутреннего охлаждения являются горизонтальные и вертикальные каналы в обмотках и магнитопроводе, а также специальные трубы и изоляционные щиты, создающие направленную циркуляцию масла по каналам. Все элементы системы внутреннего охлаждения находятся внутри бака трансформатора, поэтому визуальный контроль за их состоянием невозможен.
Система наружного охлаждения включает маслоохладители, фильтры, насосы, вентиляторы и другое оборудование, расположенное снаружи трансформатора. За работой этого оборудования ведется систематический эксплуатационный надзор.
На подстанциях энергосистем применяются трансформаторы отечественного производства с системами охлаждения М, Д, ДЦ и Ц.
Система охлаждения М применяется у трансформаторов сравнительно небольшой мощности напряжением, как правило, до 35 кВ. Баки таких трансформаторов гладкие с охлаждающими трубами или навесными трубчатыми охладителями (радиаторами). Каждый радиатор представляет собой самостоятельный узел, присоединяемый своими патрубками к патрубкам бака. Между фланцами патрубков встроены плоские краны, перекрывающие доступ масла в радиатор. Естественное движение нагретых и холодных слоев масла в трансформаторе происходит за счет разной их плотности, т. е. за счет гравитационных сил. В окружающую среду теплота передается конвекционными потоками воздуха у поверхности бака и радиаторов, а также излучением.
Система охлаждения Д применяется у трансформаторов средней мощности напряжением 35, 110 и 220 кВ. Оно основано на использовании навесных радиаторов, обдуваемых вентиляторами. Вентиляторы устанавливаются на консолях, приваренных к стенке бака. Каждый вентилятор состоит из трехфазного асинхронного двигателя типа АЗЛ-31-4У и крыльчатки серии МЦ. Ступица крыльчатки имеет шпоночную посадку на вал двигателя, исключающую соскакивание крыльчатки во время работы.
Рис. 1.6. Схема питания электродвигателей вентиляторов системы охлаждения Д
На рис. 1.6 приведена схема питания электродвигателей вентиляторов от электрической сети. По кабелю 1 напряжение от источника питания подается в магистральную коробку 2 , установленную на баке трансформатора. От этой коробки кабели идут к распределительным коробкам 3, соединенным между собой в кольцевую цепь. Из распределительных коробок через предохранители 4 (типа ПД1 с плавкими вставками на 4А при напряжении 220 В) питание по проводам 5 подается к электродвигателям.
Включение и отключение электродвигателей вентиляторов производятся автоматически и вручную. Для автоматического управления используются термометрические сигнализаторы типа ТС-100.
Система охлаждения ДЦ получила распространение для охлаждения мощных трансформаторов наружной установки напряжением 110 кВ и выше. Она основана на применении масляно-воздушных охладителей с принудительной циркуляцией масла и форсированным обдувом ребристых труб охладителей воздухом. Охладители комплектуются бессальниковыми центробежными насосами серии ЭЦТ и тихоходными вентиляторами типа НАП-7,4.
Для повышения эффективности теплообмена у крупных трансформаторов, выпускаемых отечественной промышленностью, движение масла внутри трансформатора упорядочено: охлажденное масло подается по специальным трубам к определенным частям обмоток, в результате чего создается направленная циркуляция масла по охлаждающим каналам. Для охлаждающих устройств с направленной циркуляцией масла через обмотки трансформаторов применяются насосы с экранированным статором типа ЭЦТЭ.
Управление охлаждением ДЦ автоматическое и ручное. Аппаратура управления смонтирована в специальных шкафах автоматического управления охлаждением трансформатора типа ШАОТ-ДЦ или ШАОТ-ДЦН (в обозначении типа шкафа: ДЦ - масляное охлаждение с дутьем и ненаправленной циркуляцией масла; ДЦН - то же, но с направленной циркуляцией масла).
Схема автоматического управления обеспечивает включение основной группы охладителей при включении трансформаторов в сеть, увеличение интенсивности охлаждения включением дополнительного охладителя при достижении номинальной нагрузки или заданной температуры масла в трансформаторе, включение резервного охладителя при аварийном отключении любого работающего, отключение вентиляторов обдува без остановки циркуляционных насосов.
Шкафы управления охлаждением оборудованы постоянно включенной сигнализацией о прекращении циркуляции масла, остановке вентиляторов дутья, включении резервного охладителя, переключении питания двигателей системы охлаждения от резервного источника при исчезновении напряжения или его понижении в основной сети. В шкафах имеются нагревательные элементы.
Система охлаждения Ц применяется для трансформаторов как наружной, так и внутренней установки. Она компактна, обладает высокой надежностью и тепловой эффективностью, что объясняется большей интенсивностью теплообмена от масла к воде, чем от масла к воздуху. Однако применение охлаждения Ц возможно только при наличии мощного источника водоснабжения.
Для трансформаторов наружной установки охладители размещают в помещениях с положительной температурой. Предусматриваются также меры, предотвращающие замерзание воды в маслоохладителях, насосах, водяных магистралях в зимнее время (слив воды из охладителей при отключении.
Рис. 1.7. Принципиальная схема охлаждения Ц:
1 - трансформатор; 2 - рабочий насос; 3 - нормально открытый обратный клапан; 4 - резервный насос; 5 - пусковой насос; 6 - нормально закрытый обратный клапан; 7 - нормально открытая задвижка; 8 - дифманометр; 9 - адсорбер; 10 - пробковый кран;
11 - сетчатый фильтр; 12 - нормально закрытая задвижка; 13 - охладитель; 14 - дроссельный клапан; 15 -задвижка с электроприводом; 16 - расходомер воды; 17 –манометр трансформатора, отепление охладителей и др.).
На рис. 1.7 приведена принципиальная схема охлаждения Ц. Горячее масло из верхней части бака трансформатора 1 перекачивается насосом 2 через маслоохладитель 13, охлаждается циркулирующей в нем водой и возвращается через сетчатый фильтр 11 в нижнюю часть бака. Циркуляция воды через охладитель осуществляется с помощью водяного центробежного насоса.
Чтобы исключить подсосы воды в масло в случае образования неплотностей и трещин в трубах, по которым циркулирует вода, маслонасосы устанавливают перед маслоохладителем. С этой же целью избыточное давление масла в маслоохладителе поддерживают выше давления воды не менее чем на 0,1-0,2 МПа.
В схеме охлаждения Ц имеется ветвь с пусковым насосом 5 , который предназначен для перемешивания масла и выравнивания его температуры во всех зонах бака трансформатора. Пусковой насос создает циркуляцию масла вне контура охладителей. Он автоматически включается при включении трансформатора под напряжение и отключается при достижении температуры масла 15°С. Далее включаются рабочие насосы, которые должны работать при всех режимах работы трансформатора.
В системах охлаждения Ц имеются приборы для контроля температуры, расхода и давления масла и воды, для очистки масла и воды, а также аппаратура управления охлаждением и различные сигнальные устройства.
Автоматическое и ручное управление охлаждением Ц осуществляется при помощи шкафов типов ШАОТ-ЦТ и ШАОТ-ЦТЭ (в обозначении шкафа: Ц - условное обозначение системы охлаждения; Т - для управления насосами серии ЭЦТ; ТЭ - то же для насосов ЭЦТЭ). В шкафах имеются индивидуальные ключи для выбора режима работы каждого насоса с положением: "Отключено", "Ручное управление", "Автоматическое управление".
При ручном управлении включение в работу системы охлаждения производится после включения трансформатора в сеть: сначала включают в работу масляный насос и проверяют циркуляцию масла в маслоохладителе, затем подают охлаждающую воду и проверяют соотношение давлений воды и масла. При необходимости регулируют давление воды. Маслоохладители в системе масловодяного охлаждения снижают температуру масла на 10-15°С и способны поддерживать температуру верхних слоев масла на уровне 50-55°С. Поэтому подачу охлаждающей воды в маслоохладители производят при температуре не ниже 15°С. Циркуляцию воды прекращают при понижении температуры масла до 10°С. Отключение масловодяного охлаждения производят после отключения трансформатора от сети: сначала прекращают доступ воды в маслоохладитель, а затем отключают маслонасос.
Схема шкафа при автоматическом управлении обеспечивает следующие процессы: автоматическое включение пускового насоса при подаче напряжения на трансформатор, если температура верхних слоев масла в баке ниже 15°С; отключение пускового насоса при отключении трансформатора от сети, а также при включении рабочего насоса; включение рабочего насоса при подаче напряжения на трансформатор, если температура масла равна или превышает 15°С; отключение рабочего насоса при снятии напряжения с трансформатора или снижении температуры масла ниже 15°С (только после закрытия задвижки подачи воды); включение нагревателей в шкафу при температуре окружающей среды -20°С; включение резервного насоса вместо рабочего, вышедшего из строя; включение резервного источника питания при исчезновении напряжения в основной питающей сети; защиту насосов от перегрузки, КЗ и обрыва фазы электродвигателя, что часто имеет место при нарушении контакта в предохранителе вследствие повышенной вибрации.
Обслуживание систем охлаждения состоит в наблюдении за работой и техническом уходе за оборудованием, используемым в системе охлаждения. При техническом уходе руководствуются заводскими инструкциями и местными указаниями по эксплуатации оборудования. Осмотр систем охлаждения производится одновременно с осмотром трансформаторов. При осмотре проверяется целость всей системы охлаждения, т.е. отсутствие течей масла, работа радиаторов - по их нагреву, определяемому на ощупь, работа охладителей охлаждения ДЦ - по их нагреву и по показаниям манометров, установленных вблизи патрубков маслоперекачивающих насосов, работа адсорбных фильтров - ощупыванием рукой, состояние креплений трубопроводов, охладителей, насосов и вентиляторов, работа вентиляторов - по отсутствию вибрации, скрежета и задеваний крыльчаток за кожух. Попутно заметим, что главными причинами поломки крыльчаток, износа подшипников и течей масла из охлаждающих устройств являются повышенные вибрации, появляющиеся из-за несвоевременного устранения мелких дефектов, ослабления болтовых креплений, плохой смазки подшипников, осевых биений крыльчаток вентиляторов и т. д.
Технический уход за устройствами систем охлаждения включает в себя устранение обнаруженных при осмотрах неисправностей, замену износившихся деталей (лопаток насосов, лопастей вентиляторов, подшипников), чистку охладителей и вентиляторов, смазку подшипников, контроль сопротивления изоляции электродвигателей.
При уходе за охладителями системы охлаждения Ц выполняются периодические очистки труб и водяных камер от ила и других отложений на поверхностях охлаждения.
При осмотре шкафов автоматического управления охлаждением проверяется отсутствие нагрева и коррозии контактов, а также повреждений изоляции токоведущих частей аппаратуры, уплотнение днищ и дверей шкафов от проникновения в них пыли и влаги.
Внеочередной осмотр автоматических выключателей в шкафах следует производить после каждого отключения ими тока КЗ, а также следует осматривать контакты магнитных пускателей и автоматических выключателей после автоматического отключения электродвигателей вентиляторов и насосов. При осмотрах необходимо руководствоваться требованиями общих правил техники безопасности, так как наличие напряжения на токопроводящих частях аппаратов и сборных узлов, не имеющих защитных кожухов, представляет опасность для персонала.
Исправность схем питания двигателей охлаждения и действие АВР проверяются по графику не реже 1 раза в месяц.
Эффективность работы систем охлаждения в целом проверяется по температуре верхних слоев масла в трансформаторе. При исправном охлаждении максимальные температуры масла не должны превышать в трансформаторах с охлаждением М и Д 95°С, с охлаждением ДЦ при мощности до 250 MB А включительно 80°С и при мощности выше 250 MB·А 75°С, у трансформаторов с охлаждением Ц температура масла на входе в маслоохладители не должна превышать 70°С.
За максимальную температуру масла здесь принимается температура масла под крышкой бака, измеренная при работе трансформатора с номинальной нагрузкой в течение 10-12 ч для трансформаторов с охлаждением М и Д и в течение 6-8 ч для трансформаторов с охлаждением ДЦ при неизменной температуре охлаждающего воздуха, равной 40°С. Такой большой период времени наступления установившегося теплового режима у трансформаторов с охлаждением М и Д объясняется небольшим перепадом температур между обмотками и верхними слоями масла при сравнительно низких скоростях движения масла в баке. У трансформаторов с принудительной циркуляцией масла (охлаждение ДЦ) скорость перемещения масла в баке выше и перепад температур между обмотками и верхними слоями масла близок к расчетному превышению средней температуры обмоток над средней температурой масла, который составляет около 30°С.
В эксплуатации при номинальной нагрузке трансформатора температура верхних слоев масла редко достигает максимального значения. Однако если это имеет место, и особенно у трансформаторов, включаемых в работу после ремонта, то возможны следующие причины повышения нагрева масла для охлаждения М и Д: закрыты или не полностью открыты плоские краны радиаторов, из верхних коллекторов радиаторов не выпущен воздух при заполнении радиаторов маслом, сильно загрязнены наружные поверхности радиаторов. Для охлаждения Д кроме перечисленных могут быть названы следующие причины: в работе находятся не все вентиляторы, крыльчатки вентиляторов вращаются в обратную сторону. Для системы охлаждения ДЦ характерны следующие причины: рабочее колесо насоса вращается в обратную сторону, недостаточно число работающих вентиляторов, крыльчатки вентиляторов вращаются в обратную сторону, сильно загрязнены поверхности ребер трубок охладителей и т. д.
Если неисправность в работе механизмов охлаждения не будет обнаружена при внешнем осмотре, следует предположить, что причиной повышенного нагрева является неисправность самого трансформатора.
